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Verfahren zur frühzeitigen Erkennung eines Abfalles der
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Bodenhaftung der Laufräder bei einem Straßenfahrzeug.
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Durch unvermutet auftretende Fahrbahnglätte kommt es immer' wieder
zu schweren Unfällen. Die bisher gebräuchlichen Warneinrichtungen verfehlen oft
ihren Zweck oder fehlen gänzlich.
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Beispielsweise werden zum Hinweise auf Glatteisgefahr gelegentlich
Warnschilder aufgestellt, oder es wird eine Messung der Lufttemperatur in Bodennähe
vorgenommen.Eine solche Warnung wird aber.in den meisten Fällen unnötigerweise gegeben,
so daß sie vom Wagenlenker bald nicht mehr beachtet wird, oder aber eine solche
Warnung bleibt aus, z.B. dann, wenn wenn die Temperatur einer dunklen und feuchten
Straßenoberfläche durch Abstrahlung niedriger ist als die der darüber lagernden
Luft.
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Auch kann bei lebhaftem Wind selbst bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt
eine feuchte Fahrbahn so stark unterkühlt werden.
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daß Eisbildung eintritt. Aquaplaning ist eine andere Gefahr durch
verloren gehende Bodenhaftung der Laufräder, die oft vom Wagenlenker unterschätzt
wird. Auch durch feuchtes Laub oder durch auf die Straße verschleppten Erdboden
oder durch Ölspuren kann eine unvermutete oder unterschätzte Fahrbahnglätte eintreten,
ohne daß dem Wagenlenker eine Warnung zugteil wird, und der nur durch sprunghaft
gesteigerte Aufmerksamkeit oder durch besonders große Erfahrung begegnet werden
kann.
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Diese Gefahren könnten in vielen Fällen dadurch rechtzeitig erkennt
werden, daß die Bodenhaftung eines (mit) laufenden, belasteten Rades auf der Fahrbahn
fortlaufend gemessen wird.
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Unterschreitet diese Bodenhaftung einen bestimmten Schwellenwert.
so kündigt sich hierdurch die Gefahr an, daß das Fahrzeug schon bei relativ geringer
Krafteinwirkung (z.B. in den Kurven, bei Seitenwind, auf seitlich stark geneigter
Fahrbahn, beim Bremsen oder beim Beschleunigen) außer Kontrolle gerät.
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Das Untarschreiten eines solchen Schwellenwertes könnte aber dem Wagenlenker
auf geeignete Weise angezeigt werden. z.13.
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auf optischem oder akustischem Weg. Besser noch sollte ihm ein quantitatives
Maß der jeweils herrschenden Bodenhaftung angzeigt werden, z.B. auf einem geeigneten
Meßinstrument oder durch geeignete Modulierung eines akustischen Signales. Daiiii
wäre man jederzeit darüber informiert, wie weit man noch vo dem kritischen Wert
für die Bodenhaftung entfernt ist. bzw wie weit man ihn bereits überschritten llat.
Man kann .sicll dann unverzüglich bemühen, das Auftreten von gefährlich werden den
Krafteinwirkungen zu vermeiden, etwa durch vorsichtiges Herabsetzen der Fahrgeschwindigkeit
oder durch Vermeiden eines allzu engen Kurvenradius, sofern dies die Verkchrslage
zuläßt.
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Das Prinzip einer Erfindung, die diese Warnung ermöglicht.
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ist in Fig. 1 dargestellt. Sie beruht darauf, daß ein Rad.
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welches nicht exakt in Richtung der Radebene abrolit. sondern in einem
mehr oder weniger spitzen winkel (1) hierzu, einer Kraft (2) ausgesetzt ist, die
senkrecht zur Radebene Wirkt.
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Die hieraus resultierende Kraft (3), die seitlich uuf das Fahrzeugchassis
(4) einwirkt, wird durch eine mehr oder weniger starke Deformation des Rades oder
eines seiner Teile, z.B.
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der Reifenlauffläche und der Form des Reifens (5) aufgebracht.
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Unter sonst gleichen Umständen, z.B. bezüglich der Achstast.
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Fahrbahnneigung, des Kurvenradius und des Reifeadruckes. dei Reifentemperatur,
des Profils usw., ist diese seitlich wirkeid Kraft um so größer, je srößer die Bodenhattung
des Rades ist.
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Bei vollkommen verloren gegangener Bodenhaftung sinkt diese Kraft
(3) auf Null ab. Mißt man also diese bodenhaftungsbedingte Seitenkraft, so gewinnt
man ein Maß für die jeweils vorhandene Bodenhaftung dieses Rades.
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Allerdings ist diese Kraft einer Reihe von hodenhaftungs fremder Störeinflüssen
ausgesetzt. Beispielsweise treten bei Kurven fahrt meistens Seitenkräfte auf, die
nicht vori einer Änderung der Bodenhaftung herrühren. Die am Rad gemessene Seitenkraft
kann auch durch eine seitlich abschüssige@ahrbahn (mit) bedingt sein.
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Solche Kräfte können aber an einer vom Rad unabhängigen Vorrichtung
gemessen werden, z.B. durch ein schwingungsgedämpft aufgehängtes kardanisches Pendel.
Sie können dann auf geeignete Weise aus den am Rad gemessenen Kräften heranskarrigiert
werden.
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Auch Seitenwind kann, je nach Art der Abringung des der Messung dienenden
Rades, eine seitlich wirkende Kraft ausüben, die nicht bodenhaftungsbedingt ist.
Es ist jedoch fraglich, ob auch diese Störgröße durch Korrektur eliminiert werde
sollte, gibt sie doch dem Wagenlenker ein Maß für die Kräfte, die er durch Lenkradeillschlag
kompensieren rnuß. Erfaßt werden und erkannt werden können solche nicht bodenhaftungsbedingten
Kräfte dadurch, daß jeweils an den beiden Rädern einer Achse gemessen wird, und
daß diese Kräfte 1 n jeweils die gleiche Richtung wirken. - Handelt es si cli bei
dem der Messung dienenden Rad um eines der Vorderräder, so kann je nach Auslegung
der Lenkgeometrie auch das Beschleunigen oder Verzögern dieses Rades eine Seitenkraft
auslösen, die, falls überhaupt nötig, ebenfalls herauskorrigiert werden Kann , da
diese fleschleunigungs- und verzägerungskräfte auf bodenhaftungsunabhänglge Weise
(Z.B. durch ein Pendet der bereits erwähnten Art) gemessen werden können.
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Je nach Achslast. Reifendruck, Art und Tiefe des Reifenprofils.
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auch nach der Rei tentemperatur stellt sich auf trockener urid chener
Fahrbahn an einem unter Schräglauf abrollenden Rad eine Art Grundwert an Schräglaufkraft
ein, der schon vor dem Losfahren (evtl. schon in der Garage) ermittelt werden kann.
Dieser Grundwert kann sozusagen als Nullpunkt einer (z.B. nach beiden Seiten offenen)
Meßskale eingestellt werden. Alle Abweichnungen von diesem Grundwert (sowohl in
der positiven, als auch in der negativen Richtung) können dem Wagenlenker zur Kenntnis
gebracht werden.
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Bei den meisten Straßenfahrzeugen sind die gelenkten Räder bei Wagenstillstand
so ausgerichtet, daß die Radebenen einen spitzen Winkel mit der Fahrtrichtung bilden.
Bleibt auch währ end der Fahrt ein solcher Winkel erhalten (oder verstärkt man diese
Vor- oder Nachspur entsprechend), dann eigen sich die Radauhängungen dieser Räder
zur Messung der auf sie einwirkenden,
bodenhaftungsbedingten Seitenkräfte.
Bei stärkerem Lenkradeinschlag können dann dadurch Änderungen in den Schräglaufkräften
an den gelenkten Rädern auftreten, daß sich - Gemäß dem Ackermannschen Lenkprinzip
- der Winkel ändert, den die gelenkten Räder miteinander bilden, und diese Änderuijg
in den Schräglaufkräften ist ebenfalls nicht auf Schwankungen in di' Bodenhaftung
zurückzuführen.
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Die Größe dieser Störkräfte kann jedoch zumindest durch Versuchs serien
unter streng gleichbleibender Bodenhaflung. gefaturen mit jeweils unterschiedlichem
Lenkradeinschlag und/oder mit jeweils unterschiedlicher Geschwindigkeit, ermittelt
werden und aus den Meßwerten eliminiert werden. Für all diese Korrekturen eignet
sich ein entsprechend programmierter (Mikro-) Computer an Bord des Fahrzeuges.
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Einfacher würde sich die Messung an einem nicht gelenkten zur rad
gestalten (oder an mehreren Rädern dieser Art), weil dar im Falle des Bedarfes an
besonders exakter Messung weniger bodenhaftungsfremde Kräfte zu eliminieren sind.
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Noch einfacher gestaltet sich die Messung an einem speziellen.
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ausschließlich der Messung dienenden Rad, das erst bei Bedarf (und
dann vorzugsweise mit konstanter Kraft) in Dodenherührung gebracht wird. Wenn aber
ein solches Rad in einer eigenen Spur läuft, dann übermittelt es streng genommen
nicht mehr genau die Bodenbeschaffenheit unter den Laufrädern. Aus diesem Grund
dürfte es oft vorzuziehen sein, an beiden Rädern einer Achse gleichzeitig zu messen,
denn nur dann wird der schon gefährlich werdende Bodenhaftungsverlust nur eines
der beiden Ränder augezeigt.
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Bevorzugt man aus diesem oder auch aus noch anderen Gründen ic Messung
der bodenhaftungsbedingten Schräglaufkräfte an einem der Achsräder oder an deren
mehreren, so st darauf zu achtel, daß mit der Messung nur sehr kleine Verschiebungen
an den Rad aufhängungen eintreten, weil sonst die Geometrie der Radauf-
hängung
in unerwünschter Weise beeinflußt werden könnte. Die Messung könnte beispielsweise
piezoelektrisch oder hydraulisch erfolgen. Im letztgenannten Fall kann durch einen
relativ großen Querschnitt des die Seitenkräfte aufnehmenden hydrautischen Kolbens
die Wegstrecke sehr klein gehalten werden, auf Welcher sich die Radaufhängung unter
der Einwirkung der Seitenkräfte bewegt.
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Oftmals wird der Schräglaufwinkel, der für die Messung vorteilhaft
ist, von dem Winkel abweichen, der zur das Fahrverhalten des Fahrzeuges optimal
ist, wenn keine Bodenhaftungsmessung der hier beschriebenen Art beabsichtigt ist.
Beispielsweise wird die liatürliche Vorspur oder Nachspur der gelenkten Vorderräden
zuweilen nicht ausreichen, um (genügend große) bodenhaftungsbedingte Schräglaufkräfte
zu bewirken, und es könnte als nach teilig angesehen werden, wenn eine optimal eingestellte
Lenkgeometrie verändert wird, obwohl doch die Schräglaufkräfte nur zeitweise gemessen
zu werden brauchen.
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Danii würde die in Fig. 2 dargestellte, spezielle Ausführungsform
der Erfindung besonders vorteilhaft sein. Sie besteht darin, daß man den zur Bodenhaftunysmessung
benötigten Schräglaufwinkel erst dann einstellt, wenn die Bodenhaftung wirklich
gemessen werden soll. Sollen die Schräglaufkräfte durch die oben beschriebene Hydraulik
gemessen werden, dann kann durch die gleiche hydraulik auch der Schräglaufwinkel
variiert werden. Diese HYdraulik verleitit nämlich der Radaufhängung (6) eine -
wenn auch geringe - seitliche Verschiebbarkeit. Fügt man nun der Hydraulik (7) eine
genau definierte Menge, Flüssigkeit zu (oder eiitnimmt man ihr eine genau definierte
Menge), so läßt sich die Pesitlon der Radaufhängung (6? so weit seitlich verschieben,
daß sich der für die Messung geeignete Schräglaufwinkel einstellt.
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Verschiebt man beispielsweise die Radaufhängung (6> um die Strecke
(s),so bildet sich, da ja die Länge der Spurstange (9) unverändet bleibt, an den
gelenkten Rädern ein entsprechend großer (oder entsprechend vergrößerter) Schräglauf
aus.
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Führt das Straße;i fahrzeug einen Anhänger mit wenigstens einer Achse
mit sich, so können auch die Laufräder dieses Anhängers auf eine Vorspur oder Nachspur
geeigneter Größe eingestellt werden und zur Messung bodenha ftunysbed i ngter Kräfte
herangezogen werden.
Beispiel Es wurde eine Versuchsserie mit einem
dreirädrigen Modellfahrzeug unternommen, gefertigt aus Teilen des Modellbaukastaus
der Marke TRIX und bereift mit Vollgummireifen der gleichen Marke (große Ausführung).
Die Messungen wurden an nur einem Rad der zweirädrigen Achse durchgeführt. Dieses
Rad war auf eine glatten Achse seitlich verschiebbar angeordnet, und die achsial
wirksame Schräglaufkraft konnte durch ein ebenfalls auf dieser Achse seitlich verschiebbares
Gegenlager gemessen werden. Die Kraft, mit der dieses Gegenlager zur Seite gedrängt
wurde, wirkte über eine Schnur und zwei feste Umlenkrollen auf eine Waagschale,
die mit Gewichten belastet wurde. Diese Waagschale war exakt über dem dritten Rad
des Modells angebracht, so daß die Gewichtsauflage nicht die Last veränderte, die
auf dem der Messung dienenden Rad ruhte. Die Last auf dem Meßrad betrug 220 9, das
Gesamtgewicht des Modells 740 g.
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Bei den meisten Versuchen betrug der Schräglaufwinkel an den auf Nachlauf
eingestellten) Rädern der Meßachse 5°. Wurde keine Gegenkraft ausgeübt, so wanderte
das Meßrad auf allen untersuchtei Oberflächen um 8 mm seitlich auf seiner Achse
bei 10 cm Ro]] strecke aus. Am besten reproduzierbar waren die Messungen ti('l Schräglaufkräfte,
wenn nicht diejenige Kraft gemessen wurde, (11<' jeglichen Schräglauf des Meßrades
unterdrückt (vgl. letzte Spalte in der Tabelle), sondern stattdessen diejenige Kraft,
die bei 40 cm Rollstrecke das seitliche Auswandern des Meßrades auf 8 mm begrenzt.
Diese Gegenkraft ist ebenfalls ein Maß für die Größe der jeweils wirksamen Schräglaufkraft.
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Es wurden auch Versuche mit größerer Radlast unter sonst gleichen
bleibenden Bedingungen unternommen. Hierbei zeigte sich der zu erwartende Anstieg
der Schräglaufkraft. Die zusätzliche Last auf dem Meßrad betrug 50 g.
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Die Messungen wurden auf trockenen und auf schlüpfrig gemachter Oberflächen
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle wiedergegeben.
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Bei den feuchtigkeitsaufsaugenden Oberflächen (Sperrholz, Span
platte)
schwankte die wirksame Oberflächenfeuchte stark. Die Meßwerte sind in der Tabelle
nicht aufgeführt, weil sie entsprechend stark schwankten und sich nicht zur Mittelwertbildung
eigneten. Zum Schlüpfrigmachen wurde ein dünner Film Neutral seife (Hersteller:
"Hakawerk") aufgetragen. Es liefen stets beide schräglaufende Räder auf der gleichen
oder gleichartig präparierten Oberfläche.
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Die Meßwerte waren mit einer Genauigkeit von + 2 9 reproduzierbar,
wenn auf Temperaturkonstanz und auf stets ausreichende Schmierung der Achse geachtet
wurde, auf der sich das Meßrad und das Gegenlager seitlich verschieben. Die Meßgenauigkeit
in Spalte 4 der Tabelle betrug + 5g.
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Die Genauigkeit der Messungen in dieser Versuchsserie reicht aus,
um die Feststellung zu stützen, daß die Größe der Schräg laufkräfte bei Vor- oder
Nachspur eines Laufrades ein Maß für die jeweils herrschende Bodenhaftung ist und
daß die Messung dieser Kräfte geeignet ist, vor unvermutet auftretendem Abfall der
Bodenhaftung zu warnen, bzw. bei Verdacht die jeweils herrschende Bodenhaftung zu
erkennen.
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Tabelle Pat. Anm.: @ 34 09 040.1 Anm. - Nr.: 2 307 383
| 1 2 3 4 |
| Oberflächen trooken feucht auf Neutral- Kraft zur |
| art Radlast Radlast seife, Rad- Unterdrückg. |
| 220 g 270 g 220 g last 220 g jeglichen |
| Schräglaufes |
| bei 220 g |
| Glas: 70 g 90 g - - 110 g |
| - - 44 g - 70 g |
| - - - 0 g 1) -- |
| bel einem |
| Schräglauf- |
| winkel von |
| 9°: 80 g 100 g - - 120 g |
| Gummiplatte, |
| glatte Seite 70 g 87 g - - 100 g |
| - - 60 g - |
| - - 0 g 1) - |
| gerasterte 81 g 105 g - - 130 g |
| 70 g - |
| - - - 38 g 65 g |
| Hartfaser |
| platte, |
| glatte Seite 67 g 85 g - - 95 g |
| - - - 20 g 35 g |
| gerasterte |
| Seite 82 g 105 g - - 140 g |
| - - 60 g 90 g |
| Sperrholz 80 g 100 g - - 120 g |
| - - - 15 g 30 g |
| Spanplatte 35 g 100 g - - 120 g |
| - - - 50 g 65 g |
| PVC- Schreib- |
| unterlage 68 g 80 g - - 95 g |
| - - - ?2) 20 g |
Erläuterungen zur Tabelle: 1) Die Schräglaufkraft reichte hier nicht aus, um auch
nur die Reibung des Meßrades auf eciner Achse zu überwinden.
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2) Auf der Rollstrecke von 40 cm wurde selbst bei Verzicht auf jegliche
Gegenkraft keine seitliche Verschlebung von 8 mm erreicht.
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- L e e r s e i t e -